KR20130110247A

KR20130110247A - 태양광 및 태양열 분리 발전 및 발열 병행장치

Info

Publication number: KR20130110247A
Application number: KR1020120032023A
Authority: KR
Inventors: 탁승호
Original assignee: 탁승호
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2013-10-10

Abstract

태양광선의 빛과 열을 진공유리나 적외선 필터로 분리하여 빛은 태양전지로 전기에너지를 생산하고, 일부 태양전지로 태양추적장치를 구동시키고, 반사된 열은 적외선집점 오목거울을 통해 고온으로 집열시켜 증발식 냉방장치를 실시간으로 구동하고 잉여열을 진공 보온통에 축열한 온수를 야간에 활용할 수 있는 시스템.

Description

태양광 및 태양열 분리 발전 및 발열 병행장치{Solar light and infrared energy optimization generating system}

재생에너지, 태양전지, 태양열 집열, 빛 스펙트럼, 가시광선, 적외선, 적외선 집열, 열교환, 흡수식냉방장치,

태양빛과 태양열의 에너지총량은 태양이 비춰지는 지구의 위도와 시간대에 따라 다소 차이가 있으나 1평방미터 당 평균 약 700와트의 전기 및 열로 환산된 에너지를 이용할 수 있다. 그런데 주택이나 건물들은 태양에너지를 이용하기 보다는 유리창을 통해 건물 내부로 유입되는 열을 단열시키는데 치중하고 있다.

한편, 대부분의 태양광으로 발전을 하는 태양전지(Solar Cell)들은 태양열이나 대기온도에 영향을 받아 온도가 상온보다 높아지면 태양전지의 발전효율이 급격히 나빠져 발전량이 저하하는 문제를 갖고 있다. 이에 따라 태양전지판넬에 태양열을 최소화시키기 위한 다양한 필터류를 도입하면 발전효율이 오히려 더 떨어지는 문제를 가지고 있는 등, 해결책을 찾고 있으나 근본적으로 대책이 없고 해결하려면 오히려 막대한 비용이 소요되거나 더 많은 에너지가 필요하기 때문에 태양열과 태양빛을 분리시켜 태양에너지를 최대로 활용하는 방법을 개발하게되었다.

본 발명은 태양의 빛과 열을 분리시키기 위하여, 적외선 반사율이 좋고 가시광선 투과율이 좋은 필터를 통해서 투과된 태양 빛(가시광선)은 태양전지 판넬로, 반사된 적외선은 오목렌즈로 태양열 조광방향을 반사시킨 후, 오목거울로 집점시켜 적외선 촛점거리에 집열부를 위치시켜, 집열부 내부의 액체를 펌프로 강제순환시켜 고온의 액체를 열교환기를 통해 냉방, 보일러 등 다양한 목적으로 사용하고, 태양전지에 조사된 가시광선은 적외선의 조사량을 최소화시켜 오히려 발전효율을 증대시켜 동일한 햇빛의 면적에서 열과 빛을 각각 최대 효율도 추출할 수 있도록 한것이다. 태양 빛과 열 분리 장치에 태양 추적장치를 추가하면 최대의 태양에너지를 활용할 수 있다.

태양전지 판넬은 고정형에 비해 15% 정도 에너지를 더 얻을 수 있는 추적형이 있으나, 근본적으로 태양전지 셀이 태양열이나 대기온도에 의해 발전효율이 저하되는 도2와 같은 온도별, 전압/전류 특성을 가지고 있기 때문에 태양전지판넬이 고온에 노출되는 것을 방지하는 다양한 기술을 접목시키려 노력 하지만 이러한 기술들의 적용에 막대한 비용이 소요되거나 막대한 에너지가 필요하여 오히려 발전효율이 더 낮아질 수 밖에 없는 문제에 부디쳐 있다.

한편 태양전지 판넬이 초속 20-30미터 이상의 강풍에 견디기 위한 구조로 태양 추적장치를 구동하려면 이에 소요되는 전기에너지 때문에 15% 개선된 추적형 에너지 효율이 의미가 없어지는 등 많은 문제점이 있다.

태양열 주택 등에서 사용중인 태양열 집열판은 액체 순환방식이나 진공 집열 히트파이프 등 다양한 기술이 상용화되어 있으나, 계절이나 일사량에 따라 불규칙한 열량 때문에 보조 열에너지 보완장치 수준에 머무르고 있다.

적외선 차단효율이 일반유리보다 월등이 높은 로이유리나 적외선을 차단하는 필름을 유리창에 부착하여 외부에서 건물내부로 유입되는 적외선을 차단하여 건물의 열효율을 높이기도 하며, 건물내부의 냉방, 난방 효율을 높이는 등 다양한 기술이 상용화되고 있다. 한편 가시광선 등 특정한 파장대역은 투과시키고 적외선은 반사시키는 다양한 종류의 광학 필터들이 상용화되어 있는데, 주택이나 건물의 유리창에 적용할 수 있는 가격이 고가여서 경제성이 없어 아직 실험실 단계를 벗어나지 못하고 있기도 하다.

태양광선을 볼록렌즈나 오목거울로 집점시키면 수광면적에 상응하는 전체열량은 같지만 집접방법과 크기에 따라 섭씨 200-250도의 높은 온도와 500와트열량을 얻을 수 있다. 그러나 빛을 볼록렌즈나 오목거울로 집점시키면 열이 발생하므로, 빛은 적외선 반사 가시광선 투과 코팅 유리를 통해 태양전지로 보내어 열로 인한 발전효율 저하손실을 오히려 보상하여 전기를 생산하고, 반사된 적외선은 오목거울로 집점시켜 집열체를 가열시키고 집열체 내부의 액체를 열교환기 1차측에 강제순환기켜 열교환기2차측에서 고온을 발생시켜 온수를 만들거나 증발식 냉방장치 등을 구동시킬 수 있다.

한편 투과된 태양빛은 열을 배제시켜 태양전지 셀의 온도 영향을 최소화시키게 되어 발전효율이 증대시킬 수 있다.

지난 몇년 동안 대량생산과 생산수율향상에 의해 태양전지 셀의 가격이 하락하고 판넬의 가격도 5달러/W에서 1달러/W정도로 저렴해져서 태양전지의 수요가 급증하고 있다. 그러나 발전효율은 크게 개선되지 못하고 있고, 태양추적장치에 의해 발전효율을 개선하는것이 온도 특성의 보완 수준에 미치지 못하고 있는 실정이다.

태양빛에 포함되어 있는 가시광선과 적외선을 적외선 반사 유리나 적외선 필터 등으로 분리시켜, 투과된 가시광선 파장대역을 태양전지셀에 조사하면 고온 열화에 의한 발전효율 저하문제를 개선시키게 되어 전기의 생산은 오히려 증대시키고, 반사된 적외선을 취열부에 집점시켜 취열부 내부의 액체를 고온 열교환기로 순환시키는 유속과 유량에 따라 필요한 고온으로 온수보일러, 기화/증발식 냉방 등으로 활용하면, 그동안 태양전지로 해결하기 위해 막대한 비용이 소요되었던 냉방기 운전 에너지 문제를 근본적으로 해결할 수 있다.

태양전지로 발전한 전기로 태양추적장치를 구동하면 외부의 별도 전기에너지 없이 최소한의 태양전지셀로 항상 최대치의 태양에너지를 발전하고 발열시킬 수 있게된다. 고온으로 발열된 열을 실시간 냉방장치 구동도 가능하지만 온수로 저장하는 경우, 상온의 온도에 의해 온수의 온도가 낮아지는 것을 해결하기 위해 진공보온 물탱크에 온수를 저장하여 온수의 온도저하를 최대한 연장시켜 낮에 가열된 온수를 밤에 사용할 수 있도록 하면 전기온수기의 전력사용을 최소화시킬 수 있게된다.

도1은 태양빛은 투과 시키고 열은 반사하여 집점하는 구조로 태양을 추적하여 최대의 에너지를 활용하는 장치의 개요도
도2는 도1의 열 발생 및 열교환 열 응용 상세블록도 및 제어도
도3는 태양전지의 일사량별 온도별 전압전류 발전특성과 이상적 발전특성
도4은 적외선을 오목거울 집열체에 집점시켜 열교환장치로 강제순환하여 고열량을 발생하는 장치의 세부구조
도5는 일출부터 일몰까지 태양의 궤도를 추적하는 태양열 고온 및 태양빛 발전장치
도5는 주택이나 건물의 옥상, 지붕에 태양열, 태양빛 추적장치를 설치한 예.

태양빛을 최대로 수광하기 위한 태양추적장치의 수광량 비교 센서(22) 및 감쇄기(23), 아날로그디지털 변환기(24) 및 마이크로컨트롤러(17) 서보/스테핑/DC모터제어 회로 (18), 서버모터/스테핑모터/DC전동기(19), 감속기어(20), 봄,여름,가을,겨울 등 태양궤도 Y축 추적모터 및 감속기(21), 마이크로컨트롤러와 제어회로 모터 등을 구동하기 위한 별도의 태양전지셀(14)로 발전한 전기를 정전압, 정전류회로 및 백업전지(16)를 통해 전원을 본 발명의 장치의 동작에 필요한 DC전원(50)D을 공급하고, 전력생산을 위한 태양전지판넬(3)을 본 발명 냉각장치(45)로 최적온도⑤로 보상하여 태양전지 판넬의 셀이 가장 이상적인 전압과 전류를 발전(51)하여 2차전지(47)에 저장했다가 DC-AC 변환장치(48)를 통해 교류전원으로 변환하여 상용전원으로 사용하거나 최대의 태양에너지를 활용하는 장치를 구현하고, 잉여 열량으로 냉방(42)이나 난방(43), 진공보온벽 온수저장(39) 온수(40)사용 등의 다양한 목적으로 사용할 수 있다.

태양(1)광과 열을 최대로 수광하기 위한 2개 또는 4개 센서(22)앞에 십자 그림자형성 구조체(21)를 설치하여, 태양의 위치가 미세하게 변화해도 십자구조체 (21)가 그림자를 만들어 센서(22)의 전위차이가 발생하게 되므로 감쇄기(23 a,b,c,d) 를 통해 사전에 정밀조절된 전압차이를 아날로그 디지털 변환장치(24 A, B,C,D)에서 디지털 값으로 변환하여 마이크로 컨트롤러(17)에서 입력된 디지털 값을 비교하여 서버모터/스테핑모터/DC모터(19)를 치차감속(20)회전(29)시켜, 본 발명의 빛과 열분리 태양전지 및 발열장치가 도5와 같이 태양궤도를 자동으로 추적하여 최대의 에너지를 활용할 수 있다.

태양전지(3,14) 태양광 수광부에 앞에 적외선 반사 유리 그리고/또는 겹층 진공유리(4)를 설치하여, 적외선 반사유리 그리고/또는 겹층진공유리(4)를 투과한 가시광선(6)은 태양전지로 향하여 고온을 걸러낸 최저온도조건 및 냉각장치(45)에 의한 최적온도로 전기를 발전하고, 반사된 적외선(5)은 오목거울(7)을 통해 집열판(9)에 집점(8)시켜, 집열판 내부에 순환되는 액체를 고온으로 가열시킨 고온액체(13)로 열교환기(12)에서 열을 교환하여 열교환기 2차 측에서 증발식 냉각장치 (41)를 구동시켜 태양전지판넬(3,14)와 결합시킨 냉각판(45)을 통해 최적온도로 태양광발전을 하여 2차전지(47)에 충전했다가 교류 상용전원으로 변환하여 사용하거나 충전된 직류전원을 직접 사용하고, 잉여열량으로 진공보온 저장탱크(39)에 온수(40)를 저장했다가 일몰 후 온수를 사용하고, 태양 빛으로 인해 기온이 가장 높아지는 낮 2시경의 시간대에는 흡수식 냉방장치를 구동시켜 실내기온을 낮추는데 사용할 수 있다.

태양의 궤도를 추적하는 본 발명의 적외선 집점 고온 집열판의 내부순환용액의 순환속도를 필요한 열량에 따라 순환 펌프(11)의 회전속도를 조절하고, 집열판(9)에서 가열된 액체의 온도를 ADC내장 온도센서(32)로 읽어서, 마이크로컨트롤러(17)의 포트(33)로 입력시켜, 필요한 열량과 온도에 따라 순환펌프(11)를 제어하며, 실제 열교환기(12)의 출력부 온도를 센싱(34)하여 제2순환펌프(36)의 회전속도를 병행제어하여, 본 발명의 다양한 열이용(38) 용도(40,41,42,43,44)에 맞는 최적제어를 마이크로컨트롤러나 PLC컴퓨터(17)가 제어한다.

예를 들어 열교환기(12) 2차측 순환 액체나 온수를 사전에 정해둔 우선순위와 잉여열량의 상태에 따라, 실시간 냉방을 우선으로 하여 실내온도를 조절하거나, 태양전지판넬의 온도를 최적화하는데 사용하거나, 온수를 저장하는데 사용하는 등 다양한 목적에 따라 우선순위에 따라 열을 이용하며 전력생산을 최적화할 수 있다.

흡수식 냉방장치의 경우, 고온재생기가 필요한 열량으로 흡수식 냉방장치를 구동하여, 태양전지판넬의 온도상승으로 인한 효율저하를 해결하고, 뜨거운 낮시간대에 실시간으로 냉방을 하는데 이용할 수 있다. 도6과 같이 건물 옥상에 여러 대의 장치를 병행운전하는 경우 다양한 열응용을 동시에 하면서 태양전지발전을 극대화시킬 수도 있다.

한편 열교환기 2차 측의 온수 저장 탱크를 대형 보온병 즉, 진공으로 온수를 보온하여 온수의 수온이 저하되는 시간을 최대한 연장시켜 낮에 가열한 온수를 심야시간에 사용할 수 있다.

1. 태양 2. 태양광선(적외선 열 포함)
3. 태양전지(Solar Cell), 태양전지 판넬
4. 가시광선 투과 적외선 반사유리 그리고 또는 진공겹층 유리
5. 반사된 적외선 6. 적외선을 걸러낸 투과된 가시광선
7. 오목거울 8. 적외선 집점(Infrared Focusing)
9. 적외선 집점거리 집열판
10. 순환액체 11. 순환펌프
12. 열교환기 13. 고온 순환액체
14. 태양전지 15. 십자그림자 구조 태양추적센서
16. 정전압, 전전류 소형 2차전지 내장 모듈
17. 마이크로컨트롤러/PLC(Programable Logic Controller)/제어용컴퓨터
18. 태양광 추적 전동(서버모터/스테핑모터/DC모터)장치 드라이버회로
19. 태양광 추적 전동(서버모터/스테핑모터/DC모터)장치
20. 치차감속장치 21. 태양광 그림자발생 후드
22. 포토트랜지스터, 광센서
23. 미세조절 감쇄기 24. 아날로그 디지털 변환기(ADC)
25. 태양전지 온도특성 26. 일사량별 태양전지 발전특성
27. 태양전지 발전 전압 28. 태양전지 발전 전류
29. 추적장치 회전방향 30. 동쪽 해가 뜨는 방향
31. 서쪽 해가 지는 방향
①Irradiance = 1000W/㎡②Irradiance = 800W/㎡
③Irradiance = 600W/㎡④Irradiance = 400W/㎡
⑤Irradiance = 200W/㎡
32. 온도센서(ADC내장) 33. 디지털 온도 데이터
34. 열교환기 2차측 온도센서
35. 순환펌프 드라이버회로
36. 열교환기 2차측 순환펌프
37. 열교환기 2차측 순환펌프 드라이버회로
38. 열응용 장치들 39. 진공벽 보온탱크
40. 온수 41. 흡수식 냉방장치
42. 찬공기 43. 더운공기
44. 찬공기/냉매 45. 태양전지판넬 냉각장치
46. 태양전지 충전제어장치 47. 이차전지
48. DC-AC 인버터 49. 상용교류
50. 태양 추적장치 동작전원
51. 태양전지 최적동작 온도조건

Claims

태양전지판넬의 솔라셀온도가 상승하여 발전효율이 저하하는 것을 방지하고, 태양열을 별도로 집점시켜 200도 이상의 고온 고열량을 순환시키고, 열교환하여 온수, 난방, 냉방 등 여러 목적으로 사용하기 위한 적외선 반사판을 설치하여, 적외선을 반사시키고, 가시광선은 투과시켜 태양전지판넬에 조사하여 태양전지판넬의 온도상승을 방지하여 발전효율을 극대화시키고, 반사된 적외선은 오목거울로 집점시킨 집열부에 순환액체를 펌프로 순환시켜 열교환기를 통해 온수, 냉방장치 등 다양한 목적의 고온 고열량 태양빛과 태양열 분리에 의한 에너지 수집장치.
청구항 1항의 에너지 수집장치에 4개의 광센서와 광센서에 그림자와 직사광선을 비추는 십자 햇빛 가리개, 4개의 감쇄기와 4개의 아날로그 디지털변환장치, 마이크로컨트롤러와 치차감속 전동기를 구비하여 발전용 태양전지와 별도의 태양추적용 태양전지판넬로 독립 전원을 구동하여 태양을 추적하여, 솔라셀온도의 상승을 방지시키며 최대의 태양에너지를 활용할 수 있는 자동추적장치를 구비한 태양광 태양열 분리 에너지 취득장치.
태양에너지 중 빛에너지와 열에너지를 분리하기 위하여 진공 겹층 유리나 적외선 반사 진공 겹층유리로 햇빛 입사각의 45도로 반사시켜 빛은 태양전지판으로 투과시키고, 반사된 적외선은 오목거울로 집점시켜 열에너지로 활용하는 빛과 열 분리 시스템.
태양의 궤도를 추적하는 적외선 집점 고온 집열판의 내부순환용액의 순환속도를 필요한 열량에 따라 순환펌프의 회전속도를 조절하고, 집열판에서 가열된 액체의 온도를 ADC내장 온도센서로 읽어서, 마이크로컨트롤러의 한 포트에 입력시켜, 필요한 열량과 온도에 따라 순환펌프를 제어하며, 열교환기의 출력부 온도를 센싱하여 제2순환펌프의 회전속도를 병행제어하여, 다양한 열이용 용도에 따라 최적제어하는 태양열과 태양빛 분리 태양에너지 제어시스템.
열교환기 2차측 순환 액체나 온수를 사전에 정해둔 우선순위와 잉여열량의 상태에 따라, 실시간 냉방을 우선으로 하여 실내온도를 조절하거나, 태양전지판넬의 온도를 최적화하는데 사용하거나, 온수를 저장하는데 사용하는 등 다양한 목적에 따라 우선순위에 따라 열을 이용하며 전력생산을 최적화하는 태양열과 태양빛 분리 태양에너지 제어시스템을 구비한 주택과 건물.